Модернизация станка Nagel (стр. 4 из 16)

Блокообразование и поворот блоков [24]. При малых скоростях пластическая деформация в начальной стадии может происходить за счет блокообразования, т.е. дробления зерен на отдельные блоки без нарушения сплошности металла и пространственной решетки внутри каждого отдельного блока. Одновременно с образованием блоков происходит их смещение – поворот. Возрастание пластической деформации в конечном счете приводит к дроблению кристаллита и распадения его на новые зерна. Причиной образования блоков является сложное смещение, изгиб плоскостей сдвига и превращение их в поверхности. Такая локализация деформации облегчает общую деформацию металла [24].

Таким образом, можно говорить об определенной последовательности явлений, протекающих в металле по мере возрастания пластической деформации: блокообразование и поворот блоков, сдвиг и изгиб пространственной решетки.

Из всех современных теорий, объясняющих природу пластической деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наиболее достоверной в настоящее время является дислокационная теория [23]. В современных дислокационных теориях рассматривается кристалл, который в исходном состоянии содержит большое число дислокаций, расположенных в виде пространственной сетки. Пластическая деформация представляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу. Условия работы источника дислокаций уточнены – существует минимальное напряжение, ниже которого источник не действует. Предел текучести металла определяется напряжениями, необходимыми как для действия источников, так и для преодоления движущейся дислокацией других препятствий, существующих в реальной кристаллической решетке (границы зерен и блоков, наличие примесей, взаимодействие между дислокациями), Дислокации от источников распространяются по кристаллу и выходят на поверхность или образуют группы заторможенных дислокаций. Скопление дислокаций увеличивает поле внутреннмх напряжений и встречные напряжения на источниках, противодействующие движению дислокаций и, тем самым, вызывающие упрочнение кристалла. Следовательно, для продолжения пластической деформации необходимо непрерывное повышение внешних напряжений.

Упрочнение происходит в результате упругого взаимодействия дислокаций. Наиболее сильное упрочнение имеет место при сравнительно небольших степенях деформации (20-30%). Твердость при этом возрастает приблизительно в два раза. Дальнейшая деформация сопровождается упрочнением, но со значительно меньшей интенсивностью.

1.5 Явления, происходящие в поверхностном слое при обработке ППД

Основные параметры ППД следующие: упругая и пластическая деформации в очаге деформирования; площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью; сила, действующая на инструмент; напряжения, возникающие под действием этой силы, и кратковременность приложения силы.

Как при статическом, так и при ударном воздействии на обрабатываемой поверхности в первоначальный момент образуется отпечаток от инструмента, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или в серию отпечатков. При нагружении твердого шара статической или ударной силой Р (рис. 1, а) он вдавливается в обрабатываемый материал, по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рис. 1, б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идет по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражается в размере отпечатка, соответствующего ОС. Пластическое деформирование под отпечатком распространяется равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность шара.

При обработке ППД в результате деформирования поверхностного слоя металла и работы трения образуется теплота, которая нагревает обрабатываемую заготовку, инструмент и рабочие тела, а также окружающую среду. Теплота деформирования генерируется в очаге деформирования, теплота трения – непосредственно на поверхности контакта. Источник теплоты – местный, характеризуемый эффективной тепловой мощностью, т.е. количеством теплоты, образующимся в единицу времени, и распределением теплоты по объему. Теплота образуется, в основном, вследствие пластического деформирования, поэтому источник теплоты соответствует форме очага деформирования, а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки. Время контактирования поверхности заготовки с источником теплоты зависит от скорости перемещения источника и его размеров в направлении перемещения.

а) б)

Рис. 1 - Схема процесса деформирования материалов

Удельный объем структурных составляющих следующий (в порядке уменьшения): тетрагональный мартенсит, мартенсит с кубической решеткой, перлит (сорбит, троостит), аустенит. Если при работе происходят структурные превращения, сопровождаемые увеличением удельного объема (например, переход аустенита в мартенсит), то образуются остаточные сжимающие напряжения, при обратном процессе – растягивающие напряжения.

Суммарное максимальное увеличение удельного объема для сталей достигает 1,1% [25]. Это обусловливает образование в наклепанной зоне остаточных напряжений сжатия, которые достигают 1200-1500 МПа; глубина залегания напряжений обычно на 10-50% превышает глубину слоя с повышенной твердостью. При завышенных силовых параметрах обработки может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла, поверхностные зерна сплющиваются так, что становятся почти неразличимыми. Резко увеличивается шероховатость поверхности. Наклеп металла можно частично или полностью снять путем отжига. Перенаклеп – необратимый процесс, при котором нагрев не восстанавливает исходную структуру металла и его механические свойства.

1.6 Эксплуатационные свойства поверхностей, обработанных методом ППД

1.6.1 Коррозионная стойкость

При чистовой обработке металлов давлением два конкурирующих фактора воздействуют на сопротивление поверхности коррозии. С одной стороны, сглаживание неровностей исходной поверхности приводит к заполнению впадин микрорельефа, устранению таких дефектов, как риски, царапины, микротрещины, где концентрируются и откуда начинают разрушающее действие вещества, вызывающие коррозию; в результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластической деформации приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т.е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии; и коррозионная стойкость снижается. В то же время, как показали исследования [14], при правильном ведении процесса обработки давлением и, в частности, обкатывания, можно добиться высокой коррозионной стойкости поверхностей. Коррозионная стойкость повышается с увеличением давления обкатывания лишь до определенного значения (точка А, рис. 2). Эта оптимальная величина давления соответствует моменту заполнения впадин микрорельефа исходной поверхности, кода исходные неровности примерно до R_а = 0,25 мкм, дефекты (риски, микротрещины, царапины) “закрыты”, а наклеп относительно мал. Положительное влияние сглаживания поверхности сильнее, чем отрицательное влияние наклепа.

Дальнейшее повышение давления, даже в том случае, если чистота поверхности несколько улучшится, приводит к резкому увеличению степени наклепа и снижению коррозионной стойкости. Теперь уже наклеп является решающим фактором, определяющим коррозионную стойкость. Так как требования к чистоте коленчатого вала не превышают R_а = 0,25, то проводить обкатку можно не опасаясь снижения коррозионной стойкости [8], [14], [17], [25].

А

Степень наклепа

Рис. 2 - Зависимость коррозионной стойкости от степени наклепа

1.6.2 Шероховатость поверхности

При обработке давлением и, в первую очередь, при чистовой обработке необходимо учитывать особенности образующейся шероховатости. Специфичны форма, расположение и степень однородности образующихся неровностей. Пластическая деформация приводит к сглаживанию – выравниванию в той или иной мере неравномерных по форме, размерам и расположению неровностей исходной поверхности, а влияние вибраций, могущих возникнуть в процессе обработки, несравнимо слабее, что обусловлено самим характером обработки, основанной на пластической деформации. Именно этим объясняется возможность достижения обработкой давлением высокочистых поверхностей [14] на маложестких изношенных станках.

Особенностью шероховатости поверхностей, обработанных давлением, является необычная по сравнению с образующимися при резании форма микронеровностей, характеризующаяся углом наклона образующих выступов и радиусом округления вершины. Относительно малые углы и большие значения радиуса определяют пологую “обтекаемую” форму неровностей.

Этими особенностями шероховатости поверхностей, которые создаются при обработке давлением, нельзя пренебрегать, так как они в значительной мере определяют важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин и приборов, в частности, их сопротивление износу, схватыванию, работу на трение, способность удержания смазки, толщину смазочной пленки, отражение электромагнитных и ультразвуковых колебаний и т.п.

1.6.3 Волнистость

Как при формообразовании, так и при чистовой обработке процесс пластического деформирования протекает более равномерно и плавно, чем при резании металла, что способствует образованию менее волнистой поверхности. Отсутствие таких явлений, как практически непрерывно изменяющийся микрорельеф рабочих поверхностей металлических и абразивных режущих инструментов, появление и исчезновение нароста на передней поверхности резцов, адгезия металлов заготовки и инструмента, прерывистость контакта между режущими элементами инструмента и обрабатываемой поверхностью, способствует уменьшению вибраций в системе станок-деталь-инструмент и более равномерному непрерывному контакту деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.